第十章 晶闸管及其应用

10 1 电子技术 第十章晶闸管及其应用 模拟电路部分 10 2 第十章晶闸管及其应用 10 1工作原理 10 2特性与参数 10 3可控整流电路 10 4触发电路 10 5单结管触发的可控整流电路 10 6晶闸管的其它应用 10 7晶闸管的保护及其它类型 10 3 别名 可控硅 SCR SiliconControlledRectifier 是一种大功率半导体器件 出现于70年代 它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域 特点 体积小 重量轻 无噪声 寿命长 容量大 正向平均电流达千安 正向耐压达数千伏 应用领域 整流 交流 直流 逆变 直流 交流 变频 交流 交流 斩波 直流 直流 此外还可作无触点开关等 晶闸管 Thyristor 10 4 10 1工作原理 10 1 1结构 A 阳极 P1 P2 N1 N2 K 阴极 G 控制极 10 5 符号 A K G 10 1 2工作原理 示意图 10 6 ig ig 等效为由二个三极管组成 10 7 1 UAK 0 UGK 0时 T1导通 ig ib1 ic1 ig ib2 ic2 ib2 ig ib1 T2导通 形成正反馈 晶闸管迅速导通 T1进一步导通 2 晶闸管导通后 去掉UGK 依靠正反馈 晶闸管仍维持导通状态 10 8 1 晶闸管开始工作时 UAK加反向电压 或不加触发信号 即UGK 0 3 晶闸管截止的条件 2 晶闸管正向导通后 令其截止的方法 减小UAK 使晶闸管中电流小于某一值IH 加大回路电阻 使晶闸管中电流小于某一值IH时 正反馈效应不能维持 IH 最小维持电流 10 9 1 晶闸管具有单向导电性 若使其关断 必须降低UAK或加大回路电阻 把阳极电流减小到维持电流以下 正向导通条件 A K间加正向电压 G K间加触发信号 晶闸管的工作原理小结 2 晶闸管一旦导通 控制极失去作用 10 10 10 2特性与参数 10 2 1特性 IG1 0A IG2 IG3 正向 反向 导通后管压降约1V 额定正向平均电流 维持电流 10 11 正向特性 在阳极和阴极间加正向电压 UDSM 断态不重复峰值电压 又称正向转折电压 随UAK的加大 阳极电流逐渐增加 当U UDSM时 PN结N1P2反向极击穿 晶闸管自动导通 正常工作时 UAK应小于UDSM 若在G和K间加正向电压 UGK越大 则UDSM越小 控制极开路时 PN结P1N1 P2N2正向偏置 N1P2反向偏置 晶闸管截止 UGK足够大时 正向特性与二极管的正向特性类似 10 12 随反向电压的增加 反向漏电流稍有增加 当U URSM时 反向极击穿 正常工作时 反向电压必须小于URSM 反向特性 在阳极和阴极间加反向电压 这时PN结P1N1 P2N2反向偏置 N1P2正向偏置 晶闸管截止 URSM 反向不重复峰值电压 10 13 1 UDRM 断态重复峰值电压 晶闸管耐压值 一般取UDRM 80 UDSM 普通晶闸管UDRM为100V 3000V 10 2 2主要参数 10 14 控制极断路时 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压 一般取URRM 80 URSM 普通晶闸管URRM为100V 3000V 2 URRM 反向重复峰值电压 10 15 ITAV含义 3 ITAV 通态平均电流 环境温度为40 C时 在电阻性负载 单相工频正弦半波 导电角不小于170o的电路中 晶闸管允许的最大通态平均电流 普通晶闸管ITAV为1A 1000A 10 16 额定通态平均电流即正向平均电流 通用系列为 1 5 10 20 30 50 100 200 300 400500 600 800 1000A等14种规格 10 17 4 UTAV 通态平均电压 6 UG IG 控制极触发电压和电流 管压降 在规定的条件下 通过正弦半波平均电流时 晶闸管阳 阴两极间的电压平均值 一般为1V左右 5 IH 最小维持电流 在室温下 控制极开路 晶闸管被触发导通后 维持导通状态所必须的最小电流 一般为几十到一百多毫安 在室温下 阳极电压为直流6V时 使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压 电流 一般UG为1 5V IG为几十到几百毫安 10 18 晶闸管型号 通态平均电压 UTAV 额定电压级别 UDRM 额定通态平均电流 ITAV 晶闸管类型P 普通晶闸管K 快速晶闸管S 双向晶闸管 晶闸管 10 19 晶闸管电压 电流级别 额定通态电流 ITAV 通用系列为 1 5 10 20 30 50 100 200 300 400500 600 800 1000A等14种规格 额定电压 UDRM 通用系列为 1000V以下的每100V为一级 1000V到3000V的每200V为一级 通态平均电压 UTAV 等级一般用A I字母表示 由0 4 1 2V每0 1V为一级 10 20 10 3可控整流电路 10 3 1单相半波可控整流电路 一 电阻性负载 1 电路及工作原理 10 21 2 工作波形 设u1为正弦波 控制角 导通角 u2 0时 加上触发电压uG 晶闸管导通 且uL的大小随uG加入的早晚而变化 u2 0时 晶闸管不通 uL 0 故称可控整流 10 22 晶闸管承受的最高反向电压 10 23 3 输出电压及电流的平均值 10 24 4 晶闸管的选择 器件的损坏 取决于电流的热效应 而热效应与电流的有效值相关 因此电路设计中 晶闸管电流的选择 必须依据电流的有效值 而不能依据平均值 ITAV 电流波形为正弦半波的情况下 有效值与平均值的区别计算如下 1 电流的选择 10 25 平均值 有效值 不同 下有效值和平均值之比 10 26 晶闸管电流选择步骤 1 计算给定 下的通态电流平均值ITAV 2 查表 或计算 相应的电流有效值IT 3 计算IT对应的正弦半波电流平均值I TAV 5 选晶闸管的电流额定值 10 27 2 晶闸管电压选择步骤 根据电源电压的峰值 U2M 计算正 反向重复峰值电压 一般取 UDRM URRM 1 5 2 U2M 其中1 5 2为安全系数 根据UDRM URRM选取晶闸管电压的额定值 10 28 5 晶闸管的功率因数 在半波可控整流电路中 由于输出信号为非正弦 即使是电阻性负载 功率因数也不等于1 其值为 式中 IL IT 例 设 60 则 代入上式得 10 29 计算举例 则 设 37 2V 10 30 选晶闸管 22 3 1 5 33 5 A 233 V 可选用额定值为 300V 50A的晶闸管 10 31 二 电感性负载 1 电路及工作原理 设u1为正弦波 u2正半周时晶闸管导通 u2过零后 由于电感反电动势的存在 晶闸管在一定时间内仍维持导通 失去单向导电作用 解决办法 加续流二极管D 用于消除反电动势的影响 使晶闸管在u2过零时关断 10 32 2 工作波形 1 不加续流二极管 10 33 2 加续流二极管 10 34 3 电压与电流的计算 加入续流二极管后的情况 1 负载中的电压及电流 当 L R时 ILAV在整个周期中可近似看做直流 2 晶闸管的中电流 平均值 有效值 10 35 4 晶闸管的选择 晶闸管电压 1 5 2 U2M 晶闸管电流 1 5 10 36 10 3 2单相全波可控整流电路 一 电阻性负载桥式可控整流电路 1 电路及工作原理 T1 T2 晶闸管 D1 D2 晶体管 10 37 2 工作波形 10 38 3 输出电压及电流的平均值 10 39 例 桥式可控整流电路中 U2 220V RL 3 可控硅控制角 15 180 求输出电压平均值UL的调节范围 以及可控硅 包括二极管 的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压 191 3 64A 承受的最高反向电压 10 40 二 电感性负载桥式可控整流电路 该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流 电压和电阻性负载类似 请自行分析 10 41 两种常用可控整流电路的特点 电路特点 1 该电路只用一只晶闸管 且其上无反向电压 2 晶闸管和负载上的电流相同 10 42 T1 T2 D1 D2 u2 uL R L 电路特点 1 该电路接入电感性负载时 D1 D2便起续流二极管作用 2 由于T1的阳极和T2的阴极相连 两管控制极必须加独立的触发信号 电路二 10 43 带反电动势负载的可控整流电路 1 该电路的工作过程 2 画出uL iL的工作波形 10 44 10 4触发电路 10 4 1单结晶体管工作原理 10 45 工作原理 当uE UA UF UP时 PN结反偏 iE很小 当uE UP时 PN结正向导通 iE迅速增加 10 46 10 4 2单结晶体管的特性和参数 负阻区 uE UV时单结管截止 uE UP时单结管导通 10 47 UE UP后 大量空穴注入基区 管内基极体电阻RB1 0 致使IE增加 UE反而下降 出现负阻 负阻区存在的原因 10 48 1 UE UV时单结管截止 2 UE UP时单结管导通 10 49 10 4 3单结晶体管振荡电路 一 振荡过程分析 10 50 1 uE uC UP时 单结管不导通 uo 0 R1 R2是外加的 不同于内部的RB1 RB2 前者一般取几十欧 几百欧 RB1 RB2一般为2 15千欧 此时R1上的电流很小 其值为 10 51 2 随电容的充电 uC逐渐升高 当uC UP时 单结管导通 RB1 0 然后电容通过R1放电 当放电至uc UV时 单结管重新关断 使uo 0 R1上便得到一个脉冲电压 R2起温度补偿作用 UP UV 峰点 谷点电压 UF PN结正向导通压降 10 52 振荡波形 10 53 二 振荡周期与脉冲宽度的计算 T振荡周期 tw脉冲宽度 设T1 T tw uC上升阶段 t T1时 uC UP 10 54 因为UV E 且 10 55 uC下降阶段 t tw时 uC UV 脉冲宽度 10 56 周期 注意 R值不能选的太小 否则单结管不能关断 电路亦不能振荡 R太小 uC下降阶段 10 57 10 5单结管触发的可控整流电路 可控整流电路中 触发电路必须与主电路同步 若不同步 可控硅的导通角不定 10 58 一 电路 主电路 触发电路 10 59 二 波形关系 整流稳压电路部分 10 60 单结晶体管电路部分 10 61 可控硅桥式整流电路部分 10 62 1 单结管触发的可控整流电路中 主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上 问题讨论 10 63 2 触发电路中 整流后为什么加稳压管 10 64 3 一系列触发脉冲中 为什么只有第一个起作用 其移相范围 即控制角 的变化范围 有多大 10 65 4 输出电压如何调节 其大小如何计算 10 66 1 单结管触发的可控整流电路中 主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上 保证主电路和触发电路的电源电压同时过零 即两者同步 使电容在每半个周期均从零开始充电 从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同 即 角一样 以使输出平均电压不变 10 67 2 触发电路中 整流后为什么加稳压管 稳压管的作用 将整流后的电压变成梯形 即削波 使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上 从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间 不受交流电源电压变化的影响 10 68 3 一系列触发脉冲中 为什么只有第一个起作用 其移相范围 即控制角 的变化范围 有多大 根据单结管的特性 它一旦触发导通 在阳极电压足够大的条件下 即使去掉触发信号 仍能维持导通状态 因此 每半个周期中只有一个触发脉冲起作用 10 69 触发脉冲移相范围的计算 T 电源电压的周期 每半个周期出现第一个脉冲的时间为电容电压从0充到UP的时间T 10 70 4 输出电压如何调节 其大小如何计算 RP 电容充电速度变慢 电压的调节 电压的计算 10 71 三 具有放大环节的可控整流电路 调节过程 US 给定电压 T1管的uc1 T2管的ic2 电容充电速度加快 触发脉冲前移 uL 10 72 10 6单结管的其它应用 10 6 1交流调压 主电路 触发电路 10 73 电路特点 主电路的两只晶闸管不共阴极 两者的控制极必须由两个独立的触发脉冲触发 才能正常工作 因此 触发电路中脉冲变压器的副边有两个线圈 分别为两只晶闸管提供触发信号 主电路的两只晶闸管 分别在交流电源的正负半周内触发导通 从而实现交流调压的目的 波形关系 输出电压的调节 uS uL 10 74 10 6 2单相无源逆变器 变压器 直流电源 10 75 工作原理 工作时 两晶闸管由频率一定 相位差为180 的两个脉冲信号交替作用在它们的控制极上 从而由直流电源提供能量 在负载上得到交流电压 当触发脉冲作用于T1的控制极上时 T1导通 直流电源给电容C1充电 其方向如图中虚线所示 充电电流通过变压器T给负载提供一定的电压 10 76 当触发脉冲作用于T2的控制极时 T2导通 电容C1通过T2放电 其方向如图中虚线所示 放电电流通过变压器T给负载提供与上方向相反的电压 电容放电时 放电电流在电感L2上产生感应电动势 方向如图所示 此感应电动势通过互感 在L1上产生的电压将晶闸管T1关断 同理 电容充电时L2上的感应电动势将T2关断 10 77 10 6 3晶闸管用做控制器件 拨盘式密码锁控制电路 拨盘 10 78 工作原理 根据晶闸管的特性分析可知 开锁时三个晶闸管的工作顺序应该是 T1 T2 T3 否则T3或T2将因阳极和阴极间加不上电压而不导通 继电器线圈不通电 锁打不开 1 开锁时晶闸管工作情况 UCC T3 T2 T1 J D1 D2 T1导通时的路径 T3 T2的导通路径请自行分析 T1导通时的路径如图中虚线 此时发光管D2导通 给出指示信号 10 79 2 开锁过程 根据开锁时三只晶闸管导通顺序的要求以及图中连线 可知开锁过程如下 拨盘拨至10 T2导通 按下S T3导通 拨盘拨至2 按下S 拨盘拨至7 按下S T1导通 10 80 此密码锁的开锁密码是 7 10 2 结论 改换密码号的办法 变更拨盘和晶闸管控制极的连线 防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办法 将拨盘中的某几个点接地 使拨盘转到该点时 按钮按下后通过电阻 R 支路产生较大分流 使晶闸管中的电流降低到最小维持电流以下 迫使其关断 从而防止锁被打开 10 81 10 7晶闸管的保护及其它类型 10 7 1晶闸管的保护 晶闸管承受过电压的能力极差 电压超过其反向击穿电压时 即使时间极短 也容易损坏 正向电压超过转折电压时 会产生误导通 导通后的电流较大 使器